大凌河流域不同空间尺度典型流域泥沙输移比及其影响因素研究

(辽宁禹盛生态环境工程技术服务有限公司，辽宁 朝阳 122000)

流域控制断面上游土壤流失总量和输沙量之比即为泥沙输移比，它是表征流域侵蚀产沙和土壤流失变化特征的关键性参数指标，是建立河流产沙量与侵蚀量相互作用关系的定量评价因子[1]。流域输沙量可由水文站或堰水口的监测数据资料提取，土壤流失量作为关键性因子，其数据直接影响到泥沙输移比的精度[2]。

根据土壤流失量基本特征可将其计算方法划分为遥感调查、模型计算和实地测量调查等3个主类型。然而，采用土壤侵蚀模型对较大面积的流域进行计算工作量较大，因此，土壤流失量计算可根据遥感图像信息技术采用土壤侵蚀模型进行相对简便的计算分析[3]。统计分析和因果分析是构建模型的基础和前提条件，可通过对影响土壤侵蚀的关键性因素进行分析构建土壤流失量计算方程。

东北黑土地区域作为我国商品粮食重要的生产基地，多年来，由于长期不合理的开采利用，造成该区域的水土流失现象日趋严峻并严重威胁着该流域的农业健康发展[4]。研究表明：河道输沙量少、坡面侵蚀面积大为东北黑土区侵蚀产沙的显著特征，然而由于对侵蚀物质在不同尺度流域内发生堆积的条件和区域尚不能明确，因此，目前还不能对流域产沙和坡面侵蚀的定量关联进行有效的构建。因此，在不同空间尺度上开展东北黑土区泥沙输移比研究，对于建立侵蚀产沙的宏观认识、提高水土流失关键性技术措施的治理效应和水土保持综合治理效益具有重要意义[5]。本文以东北地区大凌河流域为研究对象，在详细分析了径流小区产流泥沙资料、地形地貌特征与土地利用类型以及降水数据资料的基础上，对泥沙输移比进行求解，并对不同区域的变化规律进行探讨，进而建立了不同空间尺度流域的土壤侵蚀和产沙之间的相互作用关系[6]。

1 研究区域概况

大凌河流域位于我国辽宁省西部，大凌河全长398km，占地面积约为2.35万km2，受降雨量和人类活动影响较为显著，流域泥沙含量较大，约为57kg/m3。流域内冬季寒冷、夏季炎热干燥，属于温带季风气候，资料显示，9月和10月是该流域的降雨旺季，降水量占年总降水量的75%以上，年降水量约450～600mm且时空分布极不均衡，径流量约为16.67亿m3。流域总体植被覆盖率较低，由东南向西北主要流经漫川漫岗区、低山丘陵区和山间河谷平原区。流域大小支流纵横交错。

本文研究在大凌河流域老虎山河、西河、牤中河三条主要支流上分别选取了不同级别支流的28个流域。其中，以山地为主海拔大于300m且河道比降为2‰～5‰的流域13个；以丘陵漫川漫岗为主海拔在100～300m之间且河道比降为1‰～2‰的流域15个。将流域按照空间尺度差异可以划分为大、中、小3个类型。结合相关文献资料对流域尺度的划分标准，定义小尺度流域为面积小于100km2的流域、中尺度流域面积为100～1500hm2的流域、大尺度流域面积为大于1500km2的流域。选取凌源河小流域为典型的研究流域，流域以丘陵漫岗为主，其坡降较为平缓并以耕地为主要土地利用类型，耕地面积占90%以上。

2 资料及方法

2.1 收集资料

选取径流小区产流泥沙资料、地形地貌特征图与卫星遥感数据以及降水资料作为本研究的主要资料来源，其中降水资料包括1970—2015年22个雨量站和25个气象站的逐年日降雨资料，并用于降雨-径流侵蚀力的计算分析。地形图与卫星遥感数据包括分辨率为25m×25m的土地利用类型和地表坡长、坡度等，用于小尺度流域的土地利用信息、地表坡度和坡长等数据的提取；拓扑测绘数据和土地利用图(分辨率 1∶100万)用于大中尺度流域的土地利用信息和地表坡度的提取；东北地区土壤类型图用于土壤可蚀性计算分析，进而可对不同尺度流域的坡度、坡长以及水土保持措施因子进行计算分析。水文资料主要包括1970—2015年大凌河流域25个水文站点的径流量、逐日降水量和泥沙含量资料，2005—2014年凌源河小流域的径流泥沙资料，并选取凌源河小流域逐次产流的泥沙量和径流量作为径流小区产沙资料并进行小尺度流域的土壤流失计算[7]。

2.2 土壤流失量计算

采用中国土壤流失预报方程可对大中尺度流域的多年平均土壤流失量进行计算，公式如下：

AE=RKLSBET

(1)

式中AE——多年平均年土壤流失量，t/(hm2·a);

R——降雨-径流侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h·a)，可利用多年平均降水量求解；

K——土壤可侵蚀性，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)，可利用三次样条法进行求解；

L、S、B、E、T——坡长、坡度、生物措施、工程措施和耕作措施因子。

本文选取的耕地和其他土地利用类型的地表坡长分别为200m、100m，并利用坡长因子相关参数和公式对该区域L因子进行求解分析；利用Liu B.Y.和RUSLE等提出的理论方法对坡度因子S进行计算，公式如下：

(2)

采用玉米和大豆的措施因子平均值作为耕地措施因子，采用荒山灌木梗观测值作为草地、园地和疏林地的措施因子，其值为0.052；交通用地、建设用地、水域和居民点的生物措施因子值为0。结合研究区域林地植被覆盖率基本状况和水土流失抽样调查结果，用经验公式求得该区域林地植物措施因子值为0.025。顺坡和横坡种植的耕作措施因子均值为0.442，其他耕作类型的措施因子以及工程措施因子值均为1。通过对上述各因子土层进行叠加可获取多年平均土壤流失量，并利用80m×80m网格尺寸进行插值计算。

小尺度流域土壤流失量为切沟侵蚀量、浅沟侵蚀量和片蚀量的总量，可采用式(1)对片蚀量进行求解，采用径流小区雨季产流泥沙数据资料对其他各因子值进行计算，各尺度流域的土壤流失量按分辨率为20m×20m的精度进行计算。利用张永光[8]等提出的相关公式进行浅沟侵蚀量计算，利用Wu Yangqiu[9]等提出的推导公式可求得研究流域的切沟侵蚀量为浅沟的2.4倍。

2.3 流域泥沙输移比计算

流域控制断面的输沙量与模型计算求得的土壤流失总量的比值即为各尺度流域的泥沙输移比SDR，可根据流域泥沙径流量和含沙量变化关系对断面出口处的输沙量进行求解。本研究探讨了SDR值受主河道比降SLP和流域面积A等河道下垫面地质特征因素的作用影响，并对小尺度流域的不同季节SDR变化情况进行分析。考虑到水文监测站推移质数据资料相对匮乏，本文采用悬移质泥沙输移比作为SDR值进行求解计算。

3 结果与分析

3.1 小尺度流域的泥沙输移比

流域全年和雨季侵蚀产沙过程的泥沙输移比均值分别为0.32和0.35，在雨季的变化范围为0.05～0.78，流域地表坡度为2°左右，较为平缓，致使降雨汇流速度较慢，径流极易渗入地下。夏季由于气温较高蒸散发强烈，因此降水在蒸发和地表径流入渗的同时，所携带的侵蚀性物质可在地表阻力较大或草甸、坡脚等地势较为平缓处沉积。春季融雪侵蚀期凌源河小流域的泥沙输移比为0.18。流域被输送的泥沙质地随季节的变化而存在较大的差异，其中重力侵蚀和沟蚀是融雪侵蚀期泥沙的主要来源并以粗沙为主要侵蚀物质；而降雨侵蚀期主要来源于地表坡面的面蚀和细沟侵蚀，并以细沙作为主要的侵蚀物质。粗沙由于重力、粒径颗粒较大等因素在输移过程中更易发生沉积，而细沙往往被传送至下游区域[10]。

3.2 大中尺度流域的泥沙输移比

该区泥沙输移比在大中尺度流域的变化区间为0.04～0.372，均值为0.048，整体处于较低水平，说明在到达流域出口之前大部分侵蚀物质就已经产生了沉积。迁移距离和地形地貌特征是引起研究流域SDR值产生变化的主要因素。侵蚀物质产生沉积的可能随着迁移距离的增大或流域面积A的增大而逐渐提高，然而SDR和A并未表现出显著的线性相关性，而是存在一定的幂函数递减关系，见图1和下式。

SDR=1.26A-0.42;R2=0.35,n=28,P<0.01

图1 大凌河流域泥沙输移比SDR与流域面积A的关系

泥沙输移比与流域面积的变化关系在丘陵漫岗的缓坡坡长区特征更为明显,见如图2和下述公式。

SDR=4.05A-0.51;R2=0.56,n=15,P<0.01

图2 丘陵漫岗区泥沙输移比SDR与流域面积A的关系

泥沙输移比在山区流域随主河道坡降SLP的增大而表现出降低趋势，说明坡面侵蚀产生的泥沙在坡度相对较陡、地表起伏较为显著的流域更容易被运送至流域的控制出口，见图3和下式。

SDR=0.006SLP+0.005;

R2=0.46,n=13,P<0.01

图3 山区流域泥沙输移比SDR与主河道比降SLP关系

3.3 侵蚀泥沙坡面至河道运移过程

黄河流域和长江流域主要支流泥沙输移比SDR的变化范围分别为0.5～1.0和0.3～0.7，与此相比本文所求得的各尺度流域的泥沙输移比变化相对较低。泥沙输移比SDR主要受区域侵蚀泥沙从坡面运送至河道的作用特征因素影响。低山丘陵区和丘陵漫川漫岗区为东北典型黑土区的特征，该区域以凹形坡和直线坡为主，其坡度通常变化不大，局部地区可存在不明显的凹坡和弱变的腐蚀坡。面蚀沿坡顶向下随携带泥沙量、流速和坡面径流厚度的增大而逐渐增强，当达到一定距离时，由于泥沙负荷逐渐增大，损耗径流冲刷力,使面蚀减弱，在坡脚处侵蚀物质得以堆积。在谷底和坡面区域沟蚀均可产生；沟底下切和沟壁崩坍是坡面沟侵蚀的主要来源；在湿润年份谷底沟沟头溯源侵蚀发育较为迅速，在干旱年份基本停滞，而在中等降雨量的年份往往以堆积形式表现出来[11]。

目前，在侵蚀类型特征研究中涉及流域内泥沙沉积的研究相对较少，因此可通过放射性元素测年法、泥沙淤积调查法对流域侵蚀产沙进行观测，并对流域的泥沙淤积量进行推导求解。

4 结 论

a.凌源河小流域全年和雨季侵蚀产沙过程的泥沙输移比均值分别为0.32和0.35，在泥沙输移过程中约2/3的侵蚀物质发生沉积；流域被输送的泥沙质地随季节的变化而存在较大的差异，其中重力侵蚀和沟蚀是融雪侵蚀期泥沙主要来源并以粗沙为主要侵蚀物质；而降雨侵蚀期主要来源为地表坡面的面蚀和细沟侵蚀，并以细沙作为主要的侵蚀物质。

b.大中尺度流域的变化区间为0.04～0.37，均值为0.048，整体处于较低水平，研究表明在到达流域出口之前大部分侵蚀物质就已经产生了沉积，迁移距离和地形特征是影响SDR变化的关键性因素。

c.侵蚀物质产生沉积的可能随着迁移距离的增大或流域面积A的增大而逐渐提高，然而SDR和A并未表现出显著的线性相关性，而是存在一定的幂函数递减关系，此关系特征在丘陵漫岗的缓坡坡长区更为显著；泥沙输移比在山区流域随主河道坡降SLP的增大而表现出降低趋势，由此说明坡面侵蚀产生的泥沙在坡度相对较陡、地表起伏较为显著的流域更容易被运送至流域的控制出口处。

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